Verfahren zur Erfassung einer Offsetdrift bei einer Wheatstone

Europäisches Patentamt
(19)
European Patent Office
*EP001586909A1*
Office européen des brevets
(11)
EP 1 586 909 A1
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
(12)
(43) Veröffentlichungstag:
(51) Int Cl.7:
19.10.2005 Patentblatt 2005/42
(21) Anmeldenummer: 05090032.3
G01R 17/10, G01L 1/22,
G01L 25/00, G01R 31/28,
G01R 35/00
(22) Anmeldetag: 15.02.2005
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR
HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL BA HR LV MK YU
(30) Priorität: 20.02.2004 DE 102004008850
16.11.2004 DE 102004056133
(71) Anmelder: Fraunhofer-Gesellschaft zur
Förderung der angewandten Forschung e.V.
80686 München (DE)
• Krone, Stefan
01129 Dresden (DE)
• Woschech, Stefan Dr.
01328 Dresden (DE)
• Böhm, Matthias
01326 Dresden (DE)
• Schroth, Andreas Dr.
01187 Dresden (DE)
(74) Vertreter: Pfenning, Meinig & Partner GbR
Joachimstaler Strasse 10-12
10719 Berlin (DE)
(72) Erfinder:
• König, Peter
01109 Dresden (DE)
(54)
Verfahren zur Erfassung einer Offsetdrift bei einer Wheatstone-Messbrücke
geschalteten, gleichartig wirkenden Sensorwiderständen liegende andersartig wirkende Sensorwiderstand
(4) überbrückt. Die Bezugsspannung wird vorteilhaft
durch resistive Teilung (12, 13) der an die Reihenschaltung der Sensorwiderstände gelegten Spannung gebildet. Der Testbetrieb ist zweckmäßig derart umschaltbar,
dass die beiden Paare von jeweils gleichartig wirkenden
Sensorwiderständen (1, 4; 2, 3) nacheinander geprüft
werden.
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(57)
Bei einem Verfahren zur Erfassung einer Offsetdrift bei einer resistiven Wheatstone-Messbrücke
wird zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umgeschaltet, ohne in die innere Struktur der
Messbrücke einzugreifen. Hierzu werden im Testbetrieb
zwei im Messbetrieb in verschiedenen Brückenzweigen
liegende, gleichartig wirkende Sensorwiderstände (1, 2)
in Reihe geschaltet und ein in der Verbindung dieser
Sensorwiderstände auftretender Spannungswert wird
mit einer Bezugsspannung verglichen. Vorzugsweise
wird der im Testbetrieb zwischen den beiden in Reihe
Printed by Jouve, 75001 PARIS (FR)
1
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Aus der DE 101 33 525 A1 ist ein insbesondere
zum Messen von Druck ausgebildeter Sensor mit einer
resistiven Messbrücke, deren Diagonalspannung zur
Ermittlung der Messgröße abgegriffen wird, bekannt.
Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der einzelnen
Brückenelemente ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, mit der die Messbrücke zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umgeschaltet werden kann,
wobei sich die relative Anordnung der Brückenelemente
zueinander ändert. Die Umschaltung erfolgt in der Weise, dass die im Messbetrieb in Reihe geschalteten Brükkenelemente im Testbetrieb parallel zueinander geschaltet sind. Insbesondere sind zwei Schalter vorgesehen, die jeweils mit einem Mittenknoten der
Messbrücke verbunden sind, an denen die Diagonalspannung abgegriffen wird. Über den zugeordneten
Schalter wird jeder Mittenknoten im Testbetrieb mit einer
Konstantstromquelle verbunden. Eine wesentliche Eigenschaft dieses Sensors besteht darin, dass die Diagonalspannung der Messbrücke im Testbetrieb von einer Veränderung der Messgröße unabhängig ist.
[0003] Durch die Verwendung der Konstantstromquellen ist der bekannte Sensor aufwendig, wobei,
wenn die Stromquelle keinen extrem hohen Gleichlauf
aufweisen, die Driftermittlung beeinträchtigt wird und
ein verwertbares Signal erst bei relativ großer Offsetdrift
sicher detektierbar ist. Auch weist dieser Sensor grundsätzlich keine große Empfindlichkeit bei der Drifterfassung auf.
[0004] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erfassung einer Offsetdrift
bei einer resistiven Wheatstone-Messbrücke, die zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umschaltbar ist, ohne die innere Struktur der Messbrücke
zu verändern, anzugeben, dass eine einfache Testvorrichtung benötigt und mit hoher Genauigkeit arbeitet.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0006] Dadurch, dass im Testbetrieb zwei im Messbetrieb in verschiedenen Brückenzweigen liegende,
gleichartig wirkende Sensorwiderstände in Reihe geschaltet werden und ein in der Verbindung dieser Sensorwiderstände auftretender Spannungswert mit einer
Bezugsspannung verglichen wird, wird der Umstand
ausgenutzt, dass sich das Teilerverhältnis von zwei
gleichartigen Widerständen in Reihenschaltung nicht
ändert, wenn sich beide Widerstände durch die Messgröße und etwaige Störgrößen im selben Verhältnis ändern. Gleichartig bedeutet hier, dass sowohl die Nennwerte der beiden Sensorwiderstände ungefähr gleich
sind als auch ihre Koeffizienten für die verschiedenen
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Abhängigkeiten (Temperatur, Druck, usw.) den gleichen
Wert haben. Dabei bleiben die durch die Messgröße und
die Störgrößen verursachten Widerstandsänderungen
an beiden Widerständen in einem (weitgehend) konstanten Verhältnis und ändern somit das Teilerverhältnis
der Reihenschaltung nur unbedeutend.
[0007] Nur die Veränderung an einem der Sensorwiderstände, die sich auch in einer entsprechenden Offsetdrift auswirkt, ändert dieses Verhältnis und wird so
weitgehend unabhängig von anderen Einflüssen nachweisbar.
[0008] Um den Einfluss des in der Reihenschaltung
zwischen den beiden gleichwertig wirkenden Widerständen angeordneten, andersartig wirkenden Widerstands auszuschalten, wird dieser im Testbetrieb vorzugsweise überbrückt. Sollte er trotz Überbrückung
noch einen nicht zu vernachlässigenden Wert haben,
dann kann sein Einfluss durch rechnerische Ermittlung
einer Mittenspannung zwischen den beiden gleichartig
wirkenden Widerständen weiter verringert oder sogar
ganz beseitigt werden.
[0009] Da der jeweilige Schaltzustand im Testbetrieb
immer ein Paar von gleichartigen Widerständen prüfen
kann, ist das Verfahren vorteilhaft so ausgestaltet, dass
der Testbetrieb derart umschaltbar ist, dass die beiden
Paare von jeweils gleichartig wirkenden Widerständen
der Messbrücke nacheinander geprüft werden.
[0010] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine Wheatstone-Messbrücke im Messbetrieb,
Fig. 2
die Wheatstone-Messbrücke nach Fig. 1 im ersten Schaltzustand des Testbetriebs, und
Fig. 3
die Wheatstone-Messbrücke nach Fig. 1 im
zweiten Schaltzustand des Testbetriebs.
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2
[0011] Das vorliegende Verfahren kann zur Erkennung einer Offsetdrift bei allen Sensoren, die zur Ermittlung der Messgröße eine resistive WheatstoneMessbrücke mit mindestens zwei gleichartigen sensitiven Elementen verwenden, genutzt werden. Besonders
bei sicherheitskritischen Anwendungen wie Druckmessung im Automobilbereich oder Prozessautomation, bei
denen die Verfälschung der Messwerte durch Drifteinflüsse schwerwiegende Konsequenzen haben kann, ist
eine solche Erkennung wichtig.
[0012] Die Wheatstone-Messbrücke nach Fig. 1 weist
in bekannter Weise zwei Paare von jeweils gleichartig
auf eine Messgröße wie Druck oder Temperatur ansprechenden Widerständen 1 bis 4 auf, wobei die Widerstände eines Paares, d.h., die Widerstände 1 und 4 oder
die Widerstände 2 und 3 sich in gleichem Sinne verändern. So erfahren bei einer Erhöhung der Messgröße
beispielsweise die Widerstände 1 und 4 eine positive
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und die Widerstände 2 und 3 eine negative Veränderung
ihrer Widerstandswerte. Die jeweils gleichartigen Widerstände befinden sich diagonal zueinander in verschiedenen Brückenzweigen, die sich parallel zueinander zwischen den beiden Versorgungsanschlüssen 5
und 6 befinden.
[0013] Die Messbrücke kann auch so ausgebildet
sein, dass nur eines der Paare von gleichartigen Widerständen auf die Messgröße anspricht, beispielsweise
nur die Widerstände 1 und 4, während die Widerstände
2 und 3 durch die Messgröße nicht beeinflusst werden.
Hierdurch wird jedoch die Messempfindlichkeit der
Messbrücke herabgesetzt.
[0014] Zwischen den beiden Messanschlüssen 7 und
8 wird die von der Messgröße abhängige Messspannung abgenommen.
[0015] Bei der Umschaltung aus dem in Fig. 1 gezeigten Messbetrieb in den in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten
Testbetrieb wird die innere Struktur der Messbrücke
nicht verändert. Dies ist wichtig, da die einzelnen Widerstände normalerweise bereits vom Hersteller zu der
Messbrücke verbunden wurden und somit nicht mehr
einzeln auf diese zugegriffen werden kann. Für einen
Zugriff stehen nur die Versorgungsanschlüsse 5 und 6
sowie die Messanschlüsse 7 und 8 zur Verfügung.
[0016] Die zur Prüfung des Paares von gleichartigen
Widerständen 1 und 4 erforderliche Schaltung nach Fig.
2 wird erhalten, wenn die Speisung der Messbrücke einerseits über dem Versorgungsanschluss 5 und andererseits über dem Messanschluss 8 erfolgt. Dadurch erhält man einen Zweig aus der Reihenschaltung der Widerstände 1, 2 und 4 und einen hierzu parallelen Zweig
allein aus dem Widerstand 3. Dabei wird zur Erfassung
einer Offsetdrift aufgrund einer Veränderung eines der
gleichartigen Widerstände 1 oder 4 nur deren Reihenschaltung benötigt, während der zwischengeschaltete
andersartige Widerstand 2 diese Erfassung beeinträchtigt. Aus diesem Grund wird der Widerstand 2 durch einen mit den Anschlüssen 6 und 7 verbundenen Schalter
9 überbrückt. Der sich aus der Parallelschaltung des Widerstands 2 und des Schalterwiderstands 10 ergebende
Gesamtwiderstand ist abhängig von der Qualität des
Schalters 9 normalerweise sehr gering und hat einen im
Verhältnis zu den Widerständen 1 und 4 entsprechend
niedrigen Wert, so dass er die festzustellende Offsetdrift
kaum beeinflusst.
[0017] Die Testschaltung umfasst weiterhin einen
Spannungsteiler 11 aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 12 und 13 zur Bildung der Bezugsspannung. An den Spannungsteiler 11 ist die Versorgungsspannung VBR der Messbrücke angelegt. Die Widerstände 12 und 13 haben eine sehr geringe Drift bzw.
einen sehr geringen Gleichlauffehler. Der Spannungsteiler 11 teilt die Versorgungsspannung VBR in einem
festen Verhältnis, so dass die Bezugsspannungsspannung am Verbindungspunkt 14 zwischen den Widerständen 12 und 13 beispielsweise 1/2 VBR beträgt.
[0018] Zunächst wird die Testschaltung kalibriert, in-
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4
dem die anfängliche Differenz Ukala zwischen der
Spannung am Verbindungspunkt 14 und den Spannungen an den Anschlüssen 6 und 7 bestimmt und gespeichert wird. Im späteren Testbetrieb wird geprüft, ob eine
Veränderung dieser Differenz gegenüber dem bei der
Kalibrierung ermittelten Wert aufgetreten ist. Dabei haben Veränderungen der Messgröße sowie etwaiger
Störgrößen wie die Schwankung der Versorgungsspannung oder Temperaturänderungen nur einen sehr geringen Einfluss.
[0019] Lässt sich der Schalter 9 bzw. sein Widerstand
10 nicht ausreichend niederohmig realisieren, was bei
Halbleiterschaltungen der Fall sein kann, so dass der
Spannungsabfall über den überbrückten Widerstand 2
nicht vernachlässigt werden kann, dann ist zunächst ein
virtuelles Mittenpotential zu bilden. Dieses entspricht
dem Potential, das sich zwischen den Widerständen 1
und 4 einstellen würde, wenn der Wert des Gesamtwiderstands der Widerstände 2 und 10 tatsächlich null wäre.
[0020] Für die Schaltung nach Fig. 2 gilt für diese Mittenspannung UMC :
U BC + U DC
U MC ≈ --------------------------2
25
(UBC =
30
(UDC =
Spannung zwischen den Anschlüssen 7 und
8;
Spannung zwischen den Anschlüssen 6 und
8)
Mit UBC = UFC+UBF und UDC = UFC+UDF
35
(UFC =
UBF =
40
UDF =
Spannung zwischen dem Verbindungspunkt
14 und dem Anschluss 8;
Spannung zwischen dem Anschluss 7 und
dem Verbindungspunkt 14;
Spannung zwischen dem Verbindungspunkt
14 und dem Anschluss 6)
erhält man:
2 · U MC ≈2 · U FC +U BF +U DF
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bzw.
50
2 · (U MC -U FC ) ≈U BF +U DF ·
[0021] Dadurch erhält man aus zwei Differenzspannungsmessungen (UBF und UDF) leicht den Wert der
"Driftspannung" für die Widerstände 1 und 2.
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2 · Udrift a ≈U BF +U DF -Ukal a
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[0022] Die Berechnung der Mittenspannung UMC anhand von zwei Einzelmessungen kann jedoch ungünstig sein. Dieser Nachteil kann aber durch Verwendung
eines weiteren resistiven Teilers aus den Widerständen
15 und 16 (in Fig. 2 strichliert dargestellt) behoben werden. Unter der Annahme, dass die Widerstände 15 und
16 den gleichen Widerstandswert haben, erhält man die
Driftspannung direkt aus der Differenz der Spannung
UFG (Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 14
und dem Verbindungspunkt 17 zwischen den Widerständen 15 und 16) und der Spannung Ukala.
5
(1, 4 oder 2, 3) auftreten. Bei anderen Mehrfachfehlern
(gleichzeitige Drift/Veränderungen an zwei gleichartigen Widerständen) können sich die Abweichungen der
beiden untersuchten Widderstände so überlagern, dass
kein bzw. nur ein verminderter Anteil der Drift erkannt
werden kann.
[0027] Zusammengefasst bietet das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile:
10
-
sehr hohe Empfindlichkeit bezüglich Änderungen
der Einzelwiderstände, beispielsweise doppelte
Empfindlichkeit gegenüber in der DE 101 33 525 A1
beschriebenen Lösung;
15
-
gegenüber der Lösung nach DE 101 33 525 A1 werden keine Stromquellen benötigt, bei denen schon
geringe Unterschiede relativ stark in die Driftermittlung einfließen;
20
-
durch die gute Unterdrückung von Störeinflüssen
bei der Driftbestimmung lassen sich schon relativ
kleine Offsetänderungen detektieren. Hierdurch
können Langzeitdrifteffekte frühzeitig erkannt werden, noch bevor der Sensor völlig ungenau oder gar
unbrauchbar wird;
-
es sind keine Zusatzinformationen wie aktueller
Wert der eigentlich zu messenden physikalischen
Größe, Temperatur oder Zustandsinformationen
von einem externen Steuergerät notwendig.
Udrift a = UFG-Ukal a
[0023] Dadurch wird die Driftspannung als Differenzspannung zwischen dem gespeicherten Spannungswert und nur einem gemessenen Spannungswert UFG
erhalten. Da ohne die Verwendung des Spannungsteilers 15, 16 die zwei Spannungen USF und UDF nacheinander gemessen werden müssen, die Messung nur des
Spannungswertes UFG andererseits "gleichzeitig" erfolgt, können zufällige Störungen besser unterdrückt
werden.
[0024] Die Prüfung des Paares von gleichartigen Widerständen 2 und 3 erfolgt mit der Schaltung nach Fig.
3. Hierbei sind einerseits die Reihenschaltung aus dem
Widerstand 3, dem störenden Widerstand 1 und dem
Widerstand 2 und andererseits nur der Widerstand 4 an
die Versorgungsspannung VBR angelegt. Hier wird der
Widerstand 1 durch den Schalter 9 überbrückt (da in Fig.
3 für den Schalter 9 ein anderer Schalter als in Fig. 2
verwendet werden kann, kann auch der Wert des Schalterwiderstands 10 in Fig. 3 ein anderer als in Fig. 2 sein).
Die Driftspannung wird hier entsprechend der folgenden
Beziehung erhalten:
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Patentansprüche
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1.
Verfahren zur Erfassung einer Offsetdrift bei einer
resistiven Wheatstone-Messbrücke, die zwischen
einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umschaltbar ist, ohne die innere Struktur der
Messbrücke zu verändern,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Testbetrieb zwei im Messbetrieb in verschiedenen Brückenzweigen liegende, gleichartig
wirkende Sensorwiderstände (1, 4; 2, 3) in Reihe
geschaltet werden und ein in der Verbindung dieser
Sensorwiderstände (1, 4; 2, 3) auftretender Spannungswert mit einer Bezugsspannung verglichen
wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Testbetrieb zwischen den
beiden in Reihe geschalteten, gleichartig wirkenden Sensorwiderständen liegende, andersartig wirkende Sensorwiderstand überbrückt wird.
3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb ein zwischen
den beiden in Reihe geschalteten, gleichartig wirkenden Sensorwiderständen bestehender Wider-
2 · Udrift b ≈ U AF +U BF -Ukal b
40
(UAF =
Ukalb =
Spannung zwischen dem Anschluss 5 und
dem Verbindungspunkt 14;
bei der Kalibrierung der Testschaltung nach
Fig. 3 erhaltener Spannungswert)
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[0025] Wenn auch in der Schaltung nach Fig. 3 der
Spannungsteiler 15, 16 verwendet wird, kann die Driftspannung Udriftb ebenfalls durch Messung nur einer
Spannung erhalten werden. Es reichen dann insgesamt
zwei Spannungsmessungen aus, um eine Drift hinsichtlich einerseits der Widerstände 1 und 4 (Udrifta) und andererseits der Widerstände 2 und 3 (Udriftb) zu erkennen.
[0026] Wie auch bei den bekannten Verfahren können nur Einzelfehler zuverlässig detektiert werden. Zusätzlich können bei diesem Verfahren jedoch auch einige Doppelfehler erkannt werden, sofern die beiden Einzelfehler nicht an einem Paar gleichartiger Widerstände
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stand durch rechnerische Ermittlung einer Mittenspannung zwischen den gleichartig wirkenden Sensorwiderständen kompensiert wird.
4.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsspannung durch resistive Teilung der an die Reihenschaltung der Sensorwiderstände gelegten Spannung gebildet wird.
5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Testbetrieb derart umschaltbar ist, dass die beiden Paare von jeweils gleichartig wirkenden Sensorwiderständen
(1, 4; 2, 3) nacheinander geprüft werden.
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